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电气自动化论文:基于multisim的多功能滤波器电路的仿真

来源:985论文网 添加时间:2020-06-04 16:17
摘   要
 
对频率大小进行限制的信号电路,一定频率范围内的电信号可以通过,而不再范围内的滤波电路遭到组织或者衰减,这一类电路叫做滤波电路。它在信号处理、数据传输和干扰抑制等方面发挥着重要作用。社会文化的进步,经济的高速发展,人们日益增加的需求促进了科学技术的迅速发展,尤其是电子技术、计算机技术、电路技术,电机制造技术等。随着电力电子技术发展的越来越模块化,绿色化,数字化,电力电子有着越来越广泛的应用,比如:绿色能源发电机(风力,水力)、开关电源设计、高压直流输电和电化学加工等领域。
本文研究了四种滤波器的工作原理、电路的结构、电路元件组成、参数的选择,仿真结果,在仿真软件Multisim14的建模、搭建,进行分析后,了解四个滤波器的功能,使用范围及应用。通过了解低通、高通、带通和带阻四种滤波器的参数设计及应用,设计出多功能滤波器,利用软件仿真各种功能的滤波器电路,结合四种中需要的特点,仔细研究所需改变的参数,多次仿真,分析,为获得此类多功能滤波器的电路设计参数提供了EDA手段和实验依据。
关键词:滤波器电路、Multisim14.0、仿真
 
第一章 绪论
 
1. 课题研究背景及意义
随着科技的发展滤波电路在自动控制、通信等电子系统的信息处理、数据传输和干扰抑制中起着至关重要的作用。作为通信电子的基础学科《电工电子》,这门课包含着大量复杂抽象的理论以计算,为了帮助同学们更好的理解电路在不同工作状态下的波形,电子元件的连接,二极管的作用等等,我们运用 Multisim 进行电路仿真,在电路建模正确的情况下,软件的仿真准确度可以保证,还可以快速找到电路连接的错误,帮助建立正确的实际电路。通常将在某个频率范围内衰减小于规定值的范围称为通带,与之相反的是阻带。本文通过理论分析,得到了一种具有四种滤波器的频率特性的多功能滤波器。通过对实验参数的调整设计,使用Multisim仿真软件对电路进行仿真、性能分析以及优化,极限模拟(找出实际电路的极限值,避免烧坏电路,造成材料的损坏),这一仿真普遍应用在无线通信和多频多址通信中。其设计意义体现在以下几点:
(1)通过仿真便于理解基础专业课电工电子技术的难以理解的知识点,比如时域分析、动态分析等,帮助更好学习基本知识,进一步掌握其他的专业知识,为以后进入社会打下坚实的专业知识基础。
(2) 通过多功能滤波电路技术,加深对知识的理解,进而解决实际问题,提高思维、解决问题和实践能力。
(3) Multisim仿真软件具有方便的Windows操作界面,丰富的元件库,支持多项仿真,共享的电路库资源(方便建模),就是拥有无限的创造空间虚拟的电子实验仪器,做出的实验准确性很高,具有研究学习的价值。
 
2. 论文的主要工作
 
本文主要介绍了具有四种滤波器功能的滤波电路的仿真设计。
在第一章中,总结了本文的研究背景和意义以及本文的主要工作。其次,在第二章中介绍了Multisim14仿真软件。第三章介绍了四种基本滤波器电路的仿真设计。在确定了设计方案后,详细阐述了实现四种滤波器功能的电路设计,并进行了仿真和调试。
最后,对全文进行总结。 
第二章  Multisim14 仿真软件的应用
 
Multisim仿真软件界面清晰、操作简单,可实现对电路中基本物理量的测量、基本定律的验证、电路分析方法的模拟、元器件特性的测试、交流电路频率特性的分析等。通过仿真实验既可以打破真实实验的局限性,了解掌握专业现象。
 
1.  Multisim 软件的版本
 
随着科技的不断发展,Multisim版本也不断的更新换代。目前,Multisim10.0在日常教学中应用还是比较广泛的,而最新版本Multisim14.0,与之前的版本相比,界面更加清晰,操作也更简单。本文采用的就是最新的Multisim14.0版本。运用Multisim14.0完成了多功能滤波电路的仿真分析和调试,从而实现了电路的优化设计。
 
2.  Multisim 软件的界面
 
安装完成以后就可以运用Multisim14.0进行电路仿真,界面如图1所示。
 
Multisim 仿真软件包含title、menu、Fast tool、Project window、status等特有工作区域,以实现电路仿真。  
 
 
第三章  基本功能的滤波器的种类与仿真设计
 
1.  滤波器的种类介绍
 
滤波器根据允许通过的频率的大小,分为以下四种类型:低通滤波器(允许截止频率以下的通过)、高通滤波器(允许某一频率以上的通过,对频率以下的起到抑制作用)、带通滤波器(通过某一范围的频率,对其他的进行衰减)、带阻滤波器(与带通相对,通过大多数的频率)。
1.1 低通滤波器
1.1.1 低通滤波器的电路原理
通过分析我们发现,低通滤波器电路的输入、输出信号关系为式中:
 
传递函数中出现w的二次项,所以称为二阶滤波器。阶数越高,幅频特性曲线越接近理想滤波器。
1.1.2  元器件的选取及电路的组成
仿真电路所用元器件及选取途径如下:
(1)进行电源的放置:先点击放置电源,接着选择电源,最后选择直流电源还是交流电源。
(2).进行接地的操作,点击仿真软件的地方源按钮,接着选择电源按钮最后选择其中的接地(ground)即可。 
(3).进行信号.源的选择:先点击放置电源按钮再进行电压信号的选择最后选择交流电源。
(.4)进行电阻的选择:在.Pla.ce .Bas.ic中选择电阻按键,确定电阻值分别为47..5k.Ω、2.7.4.kΩ、.10k.Ω。
(5)进行电容的选择:在.Pla.ce .Bas.ic中选择电容按键,确定电容值为.47n.F。
(6). 选择运.算放大.器.:在放置模拟中选择运算放大器,确定他的值为3554 BM。(.7)进行虚.拟仪器的选择.:.从Virtual instrument 调出波特仪XBP1、XSC1。
低通滤波器的仿真电路是仿真软件元件库中的power source、operational amplifier(3554BM)、 the ac voltage、resistor(47..5k.Ω、2.7.4.kΩ、.10k.Ω)、capacitor(47nf)、XBP1、XSC1组成的,将他们按照正确的顺序放置在仿真软件的电路窗口中,搭建完成的电路图如图3所示。
 
1.1.3  低通滤波器仿真分析
想要了解有源低.通滤波.器电路对频率信号的影响,会阻止什么范围的频率,通过什么频率,需要借助利用multisim中的交流分析(AC Analysis),,分析步骤如下.:
(1)首先单击选择,再点击Sheet Proterty的命令,再打开的对话框的电路选项卡中选中全部展现选项。.
(2.)单击主菜单的模拟键再单击分析键(Analysis),最后点击其中的交流分析(AC Sweep)菜单命令,这是会弹出交流分析的对话框,进入分析状态。
(.3)选择事先计算确定的参数进行模拟仿.真分析。
(.4)单击模拟按钮即可进行仿真分析,这时出现折线图就是有源高.通滤波.器交流分析仿真分析结果,具体分析.结果如.下图4所示。
 
1.2 高通滤波器
1.2.1 高通滤波器的电路原理
允许高于截止频率的信号通过的滤波电路是高通滤波器。原理图如图5所示:
 
图5高通滤波器电路原理图
从原理图上看出,高通滤波器是由两种电路组成,同时具有这两种电路(滤波电路和同相比例放大)的特性。具有结构简单,设计精巧,输入阻抗接近无穷大,频率随着负载改变的特点。
1.2.2 元器件的选取及电路的组成
 仿真.电路所.用元器.件以及选.取的途径.如下:.
(1.)首先进行接地的操作,点击仿真软件的地方源按钮,接着选择电源按钮最后选择其中的接地(ground)即可。
(2)进行信号.源的选择:先点击放置电源按钮再进行电压信号的选择最后选择交流电源。
(.3)进行电阻的选择:在.Pla.ce .Bas.ic中选择电阻按键,确定电阻值分别为20.kΩ、.10k.Ω。
(4)进行电容的选择:在.Pla.ce .Bas.ic中选择电阻按键,确定电容值为.10n.F。
(5)选择运.算放大.器.:在放置模拟中选择运算放大器(OPAMP_3T_VIRTUAL)。
(6)选择虚拟.仪器:.从Virtual instrument 调出波特仪XBP1。
高通滤波器的仿真电路是仿真软件元件库中的power source、operational amplifier(OPAMP_3T_VIRTUAL)、 the ac voltage、resistor(20.kΩ、.10k.Ω)、capacitor.10n.F)、XBP1组成的,将他们按照正确的顺序放置在仿真软件的电路窗口中,并且正确的连接。构建的二阶有源高通滤波器仿真电路如图6所示: 
 
1.2.3 高通滤波器仿真
想要了解有源高.通滤波.器电路对频率信号的影响,会阻止什么范围的频率,通过什么频率,需要借助利用multisim中的交流分析(AC Analysis),,分析步骤如下.:
(1.)首先单击选择,再点击Sheet Proterty的命令,再打开的对话框的电路选项卡中选中全部展现选项。
(.2)单击主菜单的模拟键再单击分析键(Analysis),最后点击其中的交流分析(AC Sweep)菜单命令,这是会弹出交流分析的对话框,进入分析状态。
(3)选择事先计算确定的参数进行模拟仿.真分析。 .   .   .   .
(4.)单击模拟按钮即可进行仿真分析,这时出现折线图就是有源高.通滤波.器交流分析仿真分析结果,具体如图.7所示.。
 
当信号源的频率为高频率信号时,由上图可见红色的输出波形通过滤波电路。实验证明,高通滤波器仿真电路能抑制低频和高频信号。
1.3  带通滤波器
1.3.1 带通滤波器的电路原理
带通滤波器对某一频率范围内频率无衰减,放大。该频率范围内的频率将会完全的衰减,不允许通过(只需要少许的频率)。
通带增益中心频率f0通带宽度:
这个电路的优点是改变电阻的比例,不影响频率。
1.3.2元器件的选取及电路的组成
 仿真电路所用元器件及选取途径如下:
(1)首先进行接地的操作,点击仿真软件的地方源按钮,接着选择电源按钮最后选择其中的接地(ground)即可。
(2)进行信号.源的选择:先点击放置电源按钮再进行电压信号的选择最后选择交流电源。
(3)进行电阻的选择:在.Pla.ce .Bas.ic中选择电阻按键,确定电阻值分别为27.4kΩ、10kΩ、20kΩ、47.5kΩ。
(4)进行.电容的选择:在.Pla.ce .Bas.ic中选择电容按键确定电容值为. 10nf、47nf。
(5)选择运.算放大.器.:在放置模拟中选择运算放大器,确定他的值为3554 BM。 
(6)选择虚拟.仪器:.从Virtual instrument 调出波特仪XBP1、XSC1。
二阶有源带通滤波器仿真电路是仿真软件元件库中的the oscilloscope、operational amplifier(3554BM)、 the ac voltage、resistor(27.4kΩ、10kΩ、20kΩ、47.5kΩ)、capacitor(10nf、47nf)、XBP1、XSC1组成的,将他们按照正确的顺序放置在仿真软件的电路窗口中,并且正确的连接。得到的通滤波电路的仿真电路图如图8所示.
                             
1.3.3 带通滤波器仿真
单击Multisim的仿真按钮,得到带通滤波器的幅频特性如下图9所示
设置合适的参数进行仿真分析,单击Simulate按钮即可进行仿真分析,仿真分析结果如图10所示:  
     
1.4 带阻滤波电路
1.4.1 带阻滤波电路特性
这个电路的特点是信号在一定频率范围外安全的通过,在频率范围内将完全的衰减。在双T网络中加入一阶同相比例运算电路,形成基本的二阶有源BEF。
     带阻滤波器电路原理图如图11所示,由节点导纳方程可以导出电路的传递函数为
式中
根据上式可以看出Auf和Q之间是正比关系,当Auf越大,Q也随之增长。其中Q为等.效品质.因数,Q越大,意味着品质好,滤波器的特性好。所以什么时候Q取最大值,带阻.滤波器性能就最好,上式计算得当Auf趋2.时,Q.趋向无.穷大,选频.特性越.好。
1.4.2元器件的选取及电路的组成
    仿真电路所用元器件及选取途径如下:
(1)首先进行接地的操作,点击仿真软件的地方源按钮,接着选择电源按钮最后选择其中的接地(ground)即可。
(2.)进行信号.源的选择:先点击放置电源按钮再进行电压信号的选择最后选择交流电源。
(3)进行电阻的选择:在.Pla.ce .Bas.ic中选择电阻按键,确定电阻值分别为5..1k.Ω、21.0kΩ.、1.0kΩ.、49..9k.Ω。
(4)进行.电容的选择:在.Pla.ce .Bas.ic中选择电容按键确定电容值为.1nF.。
(.5)选择运.算放大.器.:在放置模拟中选择运算放大器,确定他的值为3554 BM。(6.)选择虚拟.仪器:.从Virtual instrument 调出.XBP.1。
二阶有源带阻滤波器仿真电路是仿真软件元件库中的the oscilloscope、operational amplifier(3554BM)、 the ac voltage、resistor(5..1k.Ω、1.0kΩ.、21.0kΩ.、49..9k.Ω)、capacitor(.1nF.)、XBP1组成的,将他们按照正确的顺序放置在仿真软件的电路窗口中,并且正确的连接。得到的带阻滤波电路的仿真电路图如图12所示。
 
1.4.3 带阻滤波器仿真
对带阻滤波器进行AC Sweep,分析可得到它的交流分析数据如下图13所示                 
 
2.  多功能滤波器的设计
 
2.1 设计目的及要求
设计并仿真一种具有低通、高通、带通、带阻的多功能滤波电路。首先确定电路参数,根据功能设计出符合条件的方案(经过筛选判断选择最合适的),并且根据方案设计电路组成,连接方式。再使用Multisim仿真软件搭建电路进行仿真模拟交流分析,得出仿真结果与预期结果进行比较,不一致需要进行调整。
2.2  多功能滤波器参数的确定
为了实现一个具有四种滤波器频率功能的多功能滤波电路,这里需要四个运算放大器,每个运算放大器的输出端电压为U01、U02、U03和U04,所以计算参数如下:
 
由以上各式可以得到A,B,C,D四个输出端口的电压增益分别为: , , , 。
以下各式为电压增益的复频域表示。
                          
经过上述的电阻电容设计,多功能滤波器同时具备了四种滤波器的功能,既可以通过低于截止频率(通过电容或电阻进行调整)的信号,也可通过高于截止频率的信号,能够衰减频率范围外的信号,有能力衰减频率范围内的信号,结合四种所需,设计多家所长。
2.3  多功能滤波器电路图的设计
 
2.4  多功能滤波器仿真分析
想要了解设计出的多功能滤波器对频率信号的影响,会阻止什么范围的频率,通过什么频率,需要借助利用multisim中的交流分析(AC Analysis)。分析步骤如下:
(1)首先单击选择,再点击Sheet Proterty的命令,再打开的对话框的电路选项卡中选中全部展现选项。
(2)单击主菜单的模拟键再单击分析键(Analysis),最后点击其中的交流分析(AC Sweep)菜单命令,这是会弹出交流分析的对话框,进入分析状态。
(3)选择你事先确定的参数进行仿真模拟。
(4)单击模拟按钮即可进行仿真分析,这时出现折线图就是多功能滤波器交流分析仿真分析结果,具体如下图15所示。
                    
结论
我们运用进行电路仿真,在电路建模正确的情况下,软件的仿真准确度可以保证,可以快速找到电路连接的错误,帮助建立正确的实际电路,了解电路参数对电路具体工作用途的影响(如效率,质量等等),帮助设计出多功能滤波器,加快电路设计的效率。通过理论计算和仿真研究,如果两者的结果存在误差,就需要对仿真电路进行调整,否则电路仿真结果的准确性得不到保障。Multisim软件分析工具通常用于模拟仿真,仿真得来与计算统计的结论如果一致,就可以证明设计的电路是准确可靠的,所以对复杂电路的设计有积极作用。仿真结果表明,本文设计的滤波器能够有效地检测出有效信号。本文的研究证实了,multisim软件可以有效的分析电路,保证电路结果准确性,找出实际电路不合理的地方,是一个分析电路系统的有力武器。
 
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